Драйвер шагового двигателя A4988 с радиатором

Драйвер шагового двигателя A4988 - простой и доступный способ управления шаговыми двигателями, может использоваться в маломощных станках ЧПУ, 3D принтерах и других устройствах с применением шаговых двигателей. 
Параметры драйвера:

• Напряжения питания шаговых двигателей: 8...35 вольт постоянного тока
• Дробление шага: в 1, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16 раз
• Протокол управления: STEP/DIR
• Напряжение питания логики микросхемы: 3...5.5 вольт постоянного тока
• Защита от
  • перегрева
  • перегрузки по току
  • пониженного напряжения
  • короткого замыкания на землю
  • короткого замыкания обмоток двигателя
• Максимальный ток на фазу: до 1 ампер без радиатора, до 2 ампер с радиатором
• Интеллектуальное управление режимом затухания тока
• Габариты модуля: 20*15*10 мм
• Габариты радиатора: 9*5*9 мм

 В основе драйвера шагового двигателя - специализированная микросхема А4988, которая включает в себя транслятор интерфеса STEP/DIR , калькулятор микрошага, схему огрнаичения тока, два Н-моста из полевых транзисторов в защитными диодами и драйверы для них.

Диаграма А4988:

Рекомендуемая даташитом схема подключения микросхемы А4988:

Реальная принципиальная схема драйвера А4988:

Расположение выводов:

Подключение драйвера (на примере использования ШД NEMA17 и Arduino Uno в качестве управляющего микроконтроллера):

Чтобы использовать драйвер необходимо выполнить следующие действия:

1. Подключить шаговый двигатель.

Подключение шагового двигателя производится напрямую к выводом драйвера 1A-1B и 2A-2B. Стоит отметить, что драйвер предназначен для подключения биполярных шаговых двигателей, имеющих две обмотки. Но этот драйвер также можно использовать и с униполярными двигателями. Как подключить униполярные двигатели к биполярному шаговому двигателю читайте в статье на нашем сайте.

2. Подать питание.

Драйвер требует двойного питания: 3-5 вольт для работы логической части микросхемы (выводы Vdd и GND) и 8-35 вольт (в зависимости от используемого шагового двигателя) для силовой части (выводы Vmot и GND). На примере выше питание логической части осуществляется от платы Arduino Uno и составляет 5 вольт. Питание силовой части рекомендуется осуществлять от отдельного блока питания. Кроме того, рекомендуется устанавливать электролитический конденсатор в цепи питания силовой части, емкостью не менее 470 микрафарад и рабочим напряжением выше напряжения питания силовой части.

3. Установить режим микрошага.

Современные шаговые двигатели позволяют управлять углом поворота оси с достаточно большой точностью. Например, шаговый двигатель типоразмера NEMA17 имеет показатель в 200 шагов на оборот вала двигателя, что соответствует минимальному углу 1.8 градуса. Для некоторых задач такой точности может оказаться недостаточно. Более того, сейчас ещё можно встретить устаревшие шаговые двигатели (как правило униполярные, применявшиеся в матричных принтерах), которые имеют всего 48 шагов на оборот (7.5 градусов на шаг). К тому же шаговый двигатель между этими фиксированными положениями перемещается рывками. Для увеличения точности позиционирования и уменьшения рывков при перемещении используют функцию микрошага - разбиение одного шага на несколько частей. Драйвет А4988 способен делить шаги двигателя в 2, 4, 8 или 16 раз, что позволяет получить до 16 раз более точное позиционирование угла поворота (0.1125 градуса при делении на 16) и сгладить рывки перемещения. Для установки микрошага используются выводы MS1-3. Эти выводы подтянуты к "земле" встроенными в драйвер резисторами и по умолчанию принимают значение логического нуля. Для активации дробления шага необходимо подключить выводы MS1-3 к положительному полюсу питания логической части (3-5 вольт). Для вычисления величины деления микрошага используется следующая таблица:

На примере подключения выше все конфигурационные выводы подтянуты к положительному полюсу питания логической части, что дает дробление шага в 16 раз. При включении дробления шага сигнал на выходе силовой части драйвера принимает форму ступенчатой синусоиды (изображена зеленым цветом), пример на изображении ниже. Сигнал на входе STEP изображен в нижней части осциллограммы синим цветом и представляет собой прямоугольные импульсы. Данная осциллограмма отлично иллюстрирует функцию дробления шага драйверами шагового мотора.

Более подробные осциллограммы для каждого режима дробления шага приведены на страницах 14-16 даташита на микросхему А4988.

4. Установить конфигурацию работы драйвера.

Кроме входов MS1-3 драйвер А4988 имеет три входа конфигурации, которые управляют питанием драйвера:

• SLEEP - подача низкого логического уровня переводит микросхему драйвера в спящий режим, подача высокого логического уровня выводит драйвер из спящего режима. Но на самом деле подача высокого логического уровня не нужна,так-как вывод SLEEP подтянут к положительному полюсу логической части питания драйвера через внутренний резистор. 
• RESET - подача низкого логического уровня сбрасывает логику микросхемы (транслятор) в предопределенное состояние. Также, пока на выводе RESET присутствует логическая единица драйвер игнорирует все входящщие сигналы управления. Зачастую вход RESET не используют для сброса транслятора и соединяют его с выводом SLEEP на котором присутствует логическая 1, что и изображено на вышепреведенной схеме подключения.
• ENABLE - вход включения драйвера, активируется логическим 0 (присутствует по умолчанию), логическая 1 запрещает работу драйвера. Данный вывод можно не использовать, так как встроенный подтягивающий резистор всегда разрешает работу драйвера, тем не менее в ЧПУ станках и 3D принтерах данный вывод активно используется для разблокировки шаговых двигателей для ручного перемещения без обесточивания всего станка, либо для снижения энергопотребления.

5. Настроить ограничение силы тока шаговых двигателей.

Важно ограничить силу тока, протекающего через обмотки шагового двигателя. Для этого на плате драйвера предусмотрен подстроечный резистор, который задает опорное напряжение на выводе 17 микросхемы А4988. Далее, микросхема A4988 на основе опорного напряжения и данных, полученных по каналам обратной связи, ограничивает силу тока на обмотках шагового двигателя.

Правильно установить силу тока нам поможет даташит, который предлагает формулу для расчета тока: ITripMAX = Vref / ( 8 * Rs), где Vref - напряжение на входе 17 микросхемы драйвера, Rs - номинал резисторов R7 и R8 (см. принципиальную схему драйвера), которые могут иметь номинал 0,1 или 0,05 Ом. Необходимую силу тока можно получить из даташита на шаговый двигатель, номинал сопротивления Rs также известен, поэтому формула приобретает вид Vref = ITripMAX * 8 * Rs

Для примера я приведу расчет опорного напряжения для шагового двигателя NEMA 17 OK42STH33-1334A, который имеет номинальный ток 1.33A. Сопротивления Rs в моем случае имеют номинал 0,1 Ом, поэтому опорное напряжение равно 1,33*0,1*8= 1,064 вольт. Но в таком случае шаговый двигатель будет работать не пределе своих возможностей, поэтому рекомендуется ограничить ток 70% от максимального, а это значит, что полученное опорное напряжение необходимо умножить на 0.7, и в итоге я получаю 1,064*0,7 = 0,7448 вольт.

Чтобы измерить опорное напряжение, необходимо измерить напряжение между выводом GND и центральной частью подстроечного резистора, при необходимости подстраивая резистор в определенное положение.

Работа без радиатора допустима при токе не более 1 ампера, но в любом случае мы рекомендуем использовать радиатор, поставляющийся в комплекте с драйвером, а при необходимости использовать активное воздушное охлаждение.

6. Подать управляющие сигналы.

Управление мотором осуществляется по протоколу STEP/DIR, сигналы которого подаются на одноименные выводы драйвера.

• DIR (direction) - задает направление вращения шагового двигателя. Направление вращения зависит не только от значения на входе DIR, но и от полярности подключения обмоток шагового двигателя. Если шаговый двигатель вращается не в ту сторону, то можно изменить значение на входе DIR, либо поменять местами выводы одной из обмоток шагового двигателя.
• STEP - импульс шага, представляет собой прямоугольные импульсы. Один импульс шага поварачивает вал шагового двигателя на определенный угол, например, для двигателей типоразмера Nema17 на 1.8 градусов при отключенном дроблении шага. При включенном дроблении шага угол поворота на один шаг уменьшается пропорционально значению дробления шага.

Стоит отметить, что напряжение импульсов STEP/DIR не должно превышать 5,5 вольт. Источниками управляющих импульсов могут служить как микроконтроллеры, так и простые генераторы прямоугольных импульсов, например, мультивибраторы.

В случае использования драйвера А4988 со специализированными платами для управления станками ЧПУ и 3D принтерами из всех вышеперечисленных шагов подключения драйвера необходимо только осуществить настройку силы тока, так-как остальные нюансы подключения шагового двигателя учтены при проектировании печатной платы.